礦用變頻調速電機的設計特點*

段淑貞，秦 斌，劉憬奇，姚 鵬

(1.山西防爆電機(集團)有限公司，山西長治 046011;2.上海電機系統節能工程技術研究中心有限公司，上海 200063)

0 引 言

變頻調速異步電動機是21世紀電機行業發展的趨勢之一。隨著電力電子技術、微電子技術及控制理論的發展，變頻器已經廣泛應用于交流電動機的速度控制中，這種高性能的交流電動機調速系統已被廣泛應用于多個領域。其最主要的特點是具有高效率的驅動性能和良好的控制特性。應用變頻調速系統可以節省大量的電能，是實現節能高效、優質高產的現代化生產的主要技術手段之一。

相對而言，由于礦井內傳動設備需求和使用場所的特點，礦用變頻調速電動機對電機的電磁設計、絕緣結構設計、冷卻結構設計等均提出了更高的要求。變頻調速電動機是用正弦脈寬調制(SPWM)變頻裝置供電的電動機，兩者構成變頻調速系統。針對礦用變頻調速電動機的新要求，本文從變頻電源對電動機性能的影響及交流變頻調速電機的原理入手，具體分析了礦用交流變頻電機的設計特點。

1 電磁設計

1.1 普通變頻調速電動機的電磁設計特點

對于一般用途的異步電動機來說，電磁設計主要考慮五大性能指標，即起動轉矩、最大轉矩(過載能力)、起動電流、效率和功率因數，同時，溫升也是電動機不可缺少的指標之一。而變頻電動機采用變頻器供電后，電動機可以在很低的頻率和電壓下以無沖擊電流方式起動。因此，過載能力和起動性能不需要過多考慮。但電動機在非正弦電壓、電流下運行，高次諧波會引起電動機定子銅耗的增加，使電動機額外發熱，效率降低，溫升增加。為了改善電動機對變頻器電源的適應能力，電磁計算時應盡可能地減少定子和轉子電阻，以減小基波銅(鋁)耗，彌補高次諧波引起的銅耗增加。另外，考慮到高次諧波會加深磁路飽和，變頻電動機的主磁路一般設計成不飽和狀態。綜上所述，變頻電動機在電磁計算時，電磁負荷要留有一定裕度來改善電動機對非正弦波電源的適應能力。

1.2 礦用變頻調速電動機的電磁設計新特點

考慮到井下對電機隔爆結構及電機對其他安全性能的要求，礦用變頻電動機在電磁計算時，電磁負荷要在普通用途的變頻調速電動機的基礎上增加一定的裕度。另外，根據礦用變頻調速電動機對更有利于散熱的要求，在電機電磁參數設計如定子導體材料參數的選擇上，保證定子繞組每相串聯導體數不變的前提下，盡量選擇多的并繞根數和小線規。

2 絕緣結構設計

2.1 一般用途電動機在變頻器供電時絕緣破壞的原因

一般用途電動機繞組的絕緣耐電壓水平是針對正常運行電壓而言的。在變頻電源作用下，由脈寬調制(PWM)變頻器產生的矩形斬波沖擊電壓疊加在電動機運行電壓上，出現浪涌電壓和電暈現象，線圈匝間絕緣有時承受的電壓要比正常高出數十倍，所以變頻電機在設計時，必須特別考慮絕緣問題。防止繞組產生有害的電暈電壓，防止因反復施加脈沖電壓而引起絕緣老化，影響電機使用壽命。

2.2 改進措施

(1)山西防爆電機(集團)有限公司的變頻電機選用耐電暈的專用漆包線和繞包線，選用耐電暈且容易被絕緣漆浸透的絕緣材料和低揮發性聚酯型無溶劑樹脂。

(2)為了取得無氣隙絕緣，在選用絕緣材料時，應注意選用容易放到電機絕緣結構中的各個部位、能充分填充繞組間空隙的絕緣材料。采用真空壓力沉浸工藝，使浸漬樹脂滲透到各個部位。

(3)耐電暈線在使用過程中，如果拉伸或受力，抗電暈性能都會大幅下降。因此，對于繞線、嵌線、綁扎等加工工藝必須嚴加管理，特別是在繞線、嵌線過程中防止損傷導線。嵌線過程應保證槽絕緣、層間絕緣、相間絕緣放到位，線圈端部應綁扎牢固，確保端部成為一個整體。

(4)礦用變頻電機因為使用環境潮濕、惡劣，對絕緣材料、浸漬樹脂及浸漬工藝都必須精工細作，確保礦用變頻電機的防潮性能良好，滿足防潮電機標準要求，并確保浸漬樹脂有較長的儲存期。

2.3 礦用變頻調速電動機對絕緣結構的新要求

礦用變頻電機，因為使用環境潮濕、惡劣，不僅要求對絕緣材料、浸漬樹脂及浸漬工藝都要精工細作，還要確保礦用變頻電機的防潮性能良好，滿足防潮電機標準要求，并確保浸漬樹脂有較長的儲存期。因此，在絕緣結構的設計上增加了防潮和驅潮措施，并對絕緣漆的浸漬工藝進行了強化。

另外，相對于小功率變頻電機，大功率礦用變頻調速電動機線圈的匝數很少，線圈匝間承受的匝間電壓要比小功率電機的匝間電壓高很多倍甚至幾十倍。此外，由于大功率礦用變頻調速電動機的繞組電流大，它將會在繞組間產生很大的相互電磁作用力，繞組端部也將承受較大的電磁相互作用力，這些作用力使得繞組的導體間有發生相對位移的傾向。特別是由變頻器供電時，與正弦波供電相比，電機的絕緣結構要承受更高的介電應力，尤其對接近電源引入處的繞組匝間絕緣產生重大影響，絕緣結構承受更高的介電應力。

針對這些大功率礦用變頻調速電動機絕緣結構的特點，加強了繞組絕緣的機械強度和線圈繞組首尾匝的絕緣，研究與挑選了耐電暈的絕緣材料，以提高整個絕緣結構的耐沖擊、耐電暈性能。

3 機械和冷卻結構設計

設計應主要考慮非正弦電源對變頻電機的振動、噪聲、冷卻方式等方面的影響。

3.1 電機振動、噪聲問題及其解決措施

除電磁設計時選擇已使用過的電磁噪聲低的定、轉子槽配合外，要充分考慮電動機構件及整體的剛性，如機座筒比普通電動機加厚，增加底腳孔處的剛度，盡量提高其固有頻率，以避開與各次力波產生共振現象。

3.2 冷卻問題的解決

根據礦井下水資源豐富的特點，首先確定了電機采用隔爆水冷的復合冷卻結構，但在設計上采用了新的設計思路:如YBPSS500、YBPS400為了適應煤礦井下場地狹窄、工作環境復雜，設計了隔爆型復合冷卻方式(見圖1)，機座采用多層筒式結構，將傳統的水冷機座外筒增焊了散熱筋，并留有風冷通道，電動機的定子鐵心通過傳導方式由水直接冷卻，轉子內熱量由內風扇傳遞到機座的風冷通道，通過散熱片與冷水進行良好的熱交換，通過外筒將熱量擴散到周圍的冷空氣中。實踐證明采用這種結構不但體積大大縮小，而且冷卻效果有較大提高，具有體積小、振動小、噪聲低、結構緊湊、整體鋼性好、溫升低等優點，最主要的特點是便于煤礦井下安裝。

圖1 復合冷卻結構

對于低轉速的變頻電動機一般采用強迫通風冷卻，即主電機散熱風扇采用獨立的電機驅動。

4 軸電流的防止

由于變頻電源的非正弦性，電動機內極易形成不對稱磁路，從而產生軸電流。當不同高頻分量所產生的電流疊加在一起時，軸電流大為增加。

4.1 普遍使用的簡易軸承室絕緣及其缺點

在軸承室內膛粘貼絕緣材料(聚四氟乙烯薄膜)，在軸承與內外蓋間加墊絕緣板，切斷軸電流通路，這種使軸承絕緣結構在粘貼絕緣材料時需特殊工藝，且裝配與拆卸過程中容易使涂層卷邊。

4.2 使用絕緣軸承的優點

絕緣軸承可以完全有效地阻斷軸電流的必經回路，電機可靠性提高，但缺點是成本較高，且大電機配套使用的軸承無備件、訂貨周期長。

4.3 新設計的夾層絕緣軸承室的特點

在軸承室內增加軸承襯套，軸承套與軸承襯套之間夾絕緣材料，在軸承與內外蓋間加墊絕緣板，這種結構不容易損壞絕緣層，且軸承室內膛精度容易保證。

5 結語

山西防爆電機(集團)有限公司礦用變頻電動機的制造已超過5年，市場前景良好。已生產的礦用變頻電機有YBPSS500 1 140 V、YBPSS400 1 140 V、YBBPF900-10 6 000 V等十余種規格，使用結果表明:該公司生產的變頻電機各項性能指標基本能夠滿足用戶的使用要求，質量處于可控狀態。

[1]電機工程手冊編委會.電機工程手冊[M].北京:機械工業出版社，1983.

[2]陳世坤.電機設計[M].北京:機械工業出版社，2000.